اقرأ في هذا المقال
ما المقصود بالحركة؟
ربما تفكر في حركاتك في الحياة اليومية، وحركة الأشياء بشكل عام، من حيث سلسلة من الخطوط المستقيمة في الغالب، أنت تمشي في خطوط مستقيمة أو مسارات منحنية للانتقال من مكان إلى مكان، والمطر وأشياء أخرى تسقط من السماء، تعتمد الكثير من الهندسة الهامة في العالم في الهندسة المعمارية والبنية التحتية وأماكن أخرى على الزوايا والخطوط المرتبة بعناية، في لمحة قد تبدو الحياة أكثر ثراءً في الحركة الخطية (أو الانتقالية) منها في الحركة الزاوية “أو الدورانية”.
كما هو الحال مع الكثير من التصورات البشرية، فإنّ هذا التصور، بقدر ما يختبره كل شخص، هو مضلل بشكل كبير، بفضل كيف تكون حواسك هياكل لتفسير العالم، من الطبيعي أن تتنقل في هذا العالم إلى الأمام والخلف واليمين واليسار والأعلى والأسفل، ولكن لولا الحركة الدورانية “الدائرية” أي الحركة حول محور ثابت، فلن يكون هناك حركة لكوكبنا كوكب الأرض والكواكب والأقمار وغيرها في هذا الكون الواسع.
لذلك تدور الأشياء وتتحول بشكل عام، ماذا في ذلك؟ حسنًا، إنّ أهم النقاط حول الحركة الدورانية هي: 1) لها نظائر رياضية في عالم الحركة الخطية أو متعدية تجعل دراسة أحدهما في سياق الآخر مفيدًا للغاية، لأنّها توضح كيف أنّ الفيزياء نفسها “يثبت”؛ و 2) الأشياء التي تميز الحركة الدورانية مهمة جدًا للتعلم.
ما هي الحركة الدورانية؟
“تشير الحركة الدورانية إلى أي شيء يدور أو يتحرك في مسار دائري، وتسمّى أيضًا “الحركة الزاوية” أو “الحركة الدائرية”، قد تكون الحركة موحدة، أي أنّ السرعة (v) لا تتغير، أو غير منتظمة، ولكن يجب أن تكون دائرية”.
يمكن التعامل مع حركة الأرض والكواكب الأخرى حول الشمس على أنّها دائرية من أجل البساطة، لكن المدارات الكوكبية هي في الواقع بيضاوية الشكل “بيضاوية قليلاً”، وبالتالي فهي ليست مثالاً على الحركة الدورانية، يمكن أن يدور جسم ما أثناء تعرضه أيضًا لحركة خطية؛ مجرد التفكير في كرة القدم تدور مثل قمة لأنّها تقوس أيضًا في الهواء، أو عجلة تتدحرج في الشارع، ينظر العلماء إلى هذه الأنواع من الحركة بشكل منفصل لأنّ المعادلات المنفصلة “ولكن مرة أخرى متشابهة بشدة” مطلوبة لتفسيرها وشرحها.
من المفيد في الواقع أن يكون لديك مجموعة خاصة من القياسات والحسابات لوصف الحركة الدورانية لتلك الأجسام بدلاً من حركتها الانتقالية أو الخطية، لأنّك غالبًا ما تحصل على تجديد موجز لأشياء مثل الهندسة وعلم المثلثات، وهي موضوعات جيدة دائمًا للعلم.
لماذا دراسة الحركة الدورانية أمر مهم؟
في حين أن عدم الاعتراف النهائي بالحركة الدورانية قد يكون “الأرض المسطحة”، فمن السهل جدًا أن تفوتك حتى عندما تنظر، ربما لأنّ عقول العديد من الناس مدربة على مساواة “الحركة الدائرية” بـ “الدائرة”، حتى أصغر شريحة من مسار جسم ما في حركة دورانية حول محور بعيد جدًا، والتي قد تبدو كخط مستقيم في لمحة، تمثل حركة دائرية.
هذه الحركة موجودة في كل مكان حولنا، مع أمثلة منها الكرات والعجلات المتدحرجة، والدوامات، والكواكب الدوّارة، والمتزلجين على الجليد، تتضمن الأمثلة على الحركات التي قد لا تبدو مثل الحركة الدورانية، ولكنها في الواقع، الأرجوحة (see-saws)، وفتح الأبواب وسحب مفتاح الربط، لأنّه في هذه الحالات غالبًا ما تكون زوايا الدوران المعنية صغيرة، فمن السهل عدم ترشيح ذلك في عقلك كحركة زاوية.
فكر للحظة في حركة راكب دراجة بالنسبة للأرض “الثابتة”، في حين أنّه من الواضح أنّ عجلات الدراجة تتحرك في دائرة، ضع في اعتبارك ما يعنيه أن يتم تثبيت أقدام راكب الدراجة على الدواسات بينما تظل الوركين ثابتة فوق المقعد، تنفذ “الرافعات” الموجودة بينهما شكلاً من أشكال الحركة الدورانية المعقدة، حيث تتبع الركبتان والكاحلين دوائر غير مرئية ذات أنصاف أقطار مختلفة.
قوانين نيوتن للحركة:
منذ مئات السنين، أنتج “إسحاق نيوتن“، الذي ربما يكون أكثر مبتكر في الرياضيات والفيزياء تأثيرًا في التاريخ، ثلاثة قوانين للحركة اعتمدها بشكل كبير على عمل “جاليليو”، نظرًا لأننا ندرس علم الحركة، فنحن نعلم أيضًا “القواعد الأساسية” التي تحكم جميع الحركات وهي:
ينص قانون نيوتن الأول “قانون القصور الذاتي”: على أنّ الجسم المتحرك بسرعة ثابتة يستمر في القيام بذلك ما لم تزعجه قوة خارجية.
ينص قانون نيوتن الثاني: أنّه إذا أثرت صافي القوة (F) على كتلة (m)، فسوف تسرع “تغير سرعة” تلك الكتلة بطريقة ما: (F = m a).
ينص قانون نيوتن الثالث: على أنّه لكل قوة (F) توجد قوة (–F)، متساوية في الحجم ولكنّها معاكسة في الاتجاه، بحيث يكون مجموع القوى في الطبيعة صفرًا.
الحركة الدورانية حول محور ثابت:
لنفترض وجود جسم دوّار له نقطة ذات سرعة صفرية يخضع حولها الجسم لحركة دورانية، يمكن أن تكون هذه النقطة على الجسم أو بعيدًا عنه في أي وقت، نظرًا لأنّ محور الدوران ثابت، فإنّنا نأخذ في الاعتبار فقط مكونات عزم الدوران المطبقة على الجسم الموجود على طول هذا المحور لأنّ هذه المكونات فقط هي التي تسبب الدوران في الجسم، سوف يميل المكون العمودي لعزم الدوران إلى قلب محور الدوران للجسم من موضعه.
ينتج عن ذلك ظهور بعض قوى التقييد الضرورية التي تميل أخيرًا إلى إلغاء تأثير هذه المكونات العمودية، وبالتالي تقييد حركة المحور من موضعه الثابت، ممّا يجعل موضعه يتم الحفاظ عليه، لأنّ المكونات العمودية لا تسبب أي تأثير؛ لا يتم أخذ هذه المكونات في الاعتبار أثناء الحسابات، بالنسبة لأي جسم صلب يمر بحركة دورانية حول محور ثابت، نحتاج فقط إلى مراعاة القوى الموجودة في المستويات المتعامدة مع المحور.
ستعطي القوى الموازية للمحور عزم دوران عمودي على المحور ولا يلزم أخذها في الاعتبار، أيضًا، يتم أخذ مكونات متجه الموقع المتعامدة على المحور فقط في الاعتبار، مكونات متجهات الموضع على طول المحور تؤدي إلى عزم دوران عمودي على المحور وبالتالي لا يجب أخذها في الاعتبار.
أمثلة على الحركة الدورانية:
أمثلة على الدوران حول نقطة ثابتة:
دوران مروحة السقف، دوران عقرب الدقائق وعقرب الساعة في الساعات، وفتح وإغلاق الباب هي بعض أمثلة الدوران حول نقطة ثابتة.
أمثلة على الدوران حول محور الدوران:
يتضمن الدوران حول محور الدوران حركة انتقالية وكذلك حركة دورانية، أفضل مثال على الدوران حول محور الدوران هو دفع الكرة من مستوى مائل، تصل الكرة إلى قاع المستوى المائل من خلال حركة انتقالية بينما تحدث حركة الكرة أثناء دورانها حول محورها وهو الحركة الدورانية.
مثال آخر على الدوران حول محور الدوران هو حركة الأرض، تدور الأرض حول محورها كل يوم كما تدور حول الشمس مرة كل عام، هذا مثال كلاسيكي على الحركة متعدية وكذلك الحركة الدورانية.
